Nanotecnología

  Recientemente, un equipo de investigadores del Instituto Politécnico de Rensselaer (Nueva York) en colaboración con la Universidad de Rice, han conseguido desarrollar el material más "oscuro" que a día de hoy, el ser humano ha sido capaz de fabricar. La ventaja de esta novedosa estructura, compuesta por nanotubos de carbono, radica en su enorme capacidad de absorber casi el 100 % de la luz incidente, por lo que es seguro que en el futuro dará lugar a ostensibles mejoras en aplicaciones relacionadas con la energía solar, detectores de infrarrojo y muchos otros sistemas.

  Por lo general, la mayoría de los materiales que nos rodean, papel, plástico o madera…reflejan cierta cantidad de la luz que incide sobre ellos. Durante las últimas décadas, multitud de científicos han tratado de hallar un sistema ideal capaz de absorber todos los colores de la luz incidente, y en consecuencia no reflejar ninguno (el denominado “cuerpo negro”). Por citar algunos ejemplos, la pintura negra convencional, refleja entre un 5 y un 10 % de la luz incidente y el, hasta ahora material con menor reflectividad creado por el ser humano (una aleación de Ni y P) ,posee una reflectividad de entre el 0.16 y el 0.18 %.  Sin embargo los sorprendentes resultados del equipo de investigación del profesor Lin, publicados hace tan sólo un par de meses en la prestigiosa revista científica Nano Letters, demuestran como al emplear nanotubos de carbono, este coeficiente se reduce hasta el 0.045 % (casi 4 veces mejor que el anterior récord…y digo récord, porque los autores están tratando de registrar este nuevo material en el afamado Libro Guinness). La genial idea de este equipo de investigación, se centra en desarrollar un sistema capaz de maximizar la absorción a la par que minimizar la reflexión. Para ello han empleado un conjunto de nanotubos de carbono, con diámetros entre 8-10 nm, crecidos de modo vertical y dispuestos con un cierto desorden. Este pequeño “bosque” de nanotubos está repleto de huecos donde la luz queda atrapada. Los investigadores han comprobado que este material mantiene su mínimo coeficiente de reflexión  (0.045 %) frente a múltiples longitudes de onda.

   Este descubrimiento puede generar importantes aplicaciones que revolucionen no sólo en el campo de la energía solar, sino también el área de la electricidad termofotovoltaica, la detección en el infrarrojo, e incluso en observaciones astronómicas.

Son numerosos los grupos de científicos a lo largo y ancho del mundo dedicados al estudio de materiales para la investigación en el campo de las células solares. Son muchos los esfuerzos que se están dedicando y debido a ello merecen nuestro reconocimiento en este blog. Las vías que se siguen son variadas pero casi todas ellas están orientadas hacia la nanotecnología. Una de las noticias que habrá que seguir con mayor atención ha sido publicada recientemente en la revista Nature Nanotechnology por un grupo de investigadores de Nano-Science Center y  Niels Bohr Institute at University de Copenhagen. Martin Aagesen, investigador principal del proyecto indica que han conseguido rendimientos del orden del 30% lo cual representa !!DOBLAR!! el rendimiento de las actuales células solares. El nuevo material, base de estas nuevas células solares, ha sido denominado Nano Flakes (nano copos). Si finalmente este nuevo material puede ser aplicado sin problemas, no sólo ahorraremos dinero en electricidad y podremos llegar a ser autosuficientes sino que el planeta nos lo agradecerá.

• PINTURA REGENERATIVA

Nissan ha desarrollado una pintura de alta elasticidad que, dependiendo de lo grave del deterioro y de la temperatura, devolverá el aspecto original al vehículo afectado.

Lo que es mejor, lo hace en un periodo realmente corto que oscila entre un día o una semana. Lo malo es que las propiedades de esta pintura, denominada “Stracht Guard Coat” (lo que podríamos traducir por Abrigo Contra Arañazos) sólo duran tres años, por lo que esperamos que la investigación logre ampliar ese periodo.

Muchos afectados por los arañazos y abrasiones producto del tráfico, del uso diario o, desgraciadamente, de la mala fe de algunos “graciosos”; sueñan con una pintura como ésta. Nada de recurrir a costosas ceras de protección o productos reparadores varios, es el propio coche quien se “recupera” mientras nosotros podremos olvidarnos del “raspón” recién descubierto.

En cuanto a su composición, esta pátina se caracteriza por la presencia de una resina específica de alta elasticidad, capaz de recubrir el daño pero cuyas propiedades se mantienen únicamente durante tres años.

Quizá el avance más espectacular y un precursor de la pintura desarrollada por Nissan sea el proceso aplicado por Mercedes-Benz a partir de 2003: una capa compuesta por micropartículas que se aplica durante el proceso de secado.

Lo interesante de esta aplicación es que forma una tupida estructura en forma de red, mucho más resistente a los arañazos producidos. La capa de nanopartículas, además de multiplicar por tres la resistencia al rayado de pintura, prolonga, asimismo y de manera considerable, la duración del brillo.

Prperando un post anterior sobre Fotolitografía encontré una curiosidad muy propia de estas fechas:

 La fotografía muestra lo que presumiblemente es el belén más pequeño del mundo, que ha sido fabricado sobre el sustrato de un microchip. El nacimiento, apreciable  únicamente a través de un microscopio, está formado por San José, la Virgen María y el niño Jesús. En conjunto, las tres figuras tienen un tamaño de 0,1 milímetros de ancho por 0,2 milímetros de alto.
Para la construcción de una escena tan pequeña, se han utilizado técnicas de nanotecnología y de manera particular la fotolitografía, empleada para la fabricación de circuitos integrados. El micro belén se ha realizado utilizando el espacio libre que quedaba, después de su diseño, en un circuito integrado de comunicación vía satélite.
Se han empleado los distintos niveles de conexión que ofrece la tecnología de fabricación para realizar las figuras, correspondientes a los diferentes planos espaciales observables en las fotografías

 Desde su descubrimiento en 1991 por S. Ijima, los nanotubos de carbono (cilindros huecos formados a partir de una red hexagonal de átomos de carbono) constituyen uno de los campos de investigación más prometedores, gracias a sus propiedades mecánicas o eléctricas.

También en el ámbito de la física de superficies los nanotubos pueden conducir a nuevos desarrollos, tal como el presentado recientemente por el Proyecto Comunitario AMBIO  (Advanced Nanostructured Surfaces for the Control of Biofouling). Este proyecto, a caballo entre la nanotecnología y la biología marina, se dirige al desarrollo de recubrimientos antifouling (esto es, que impiden la adhesión de organismos acuáticos) a través del conocimiento de sus propiedades físico-químicas a escala nanométrica, evitando el uso de biocidas que dañen el medioambiente.

El biofouling o bioensuciamiento, es decir la adhesión de bacterias, algas, bálanos y otros organismos al casco de los barcos es un problema conocido de antiguo por los marineros. Entre sus consecuencias están el incremento de la rugosidad del casco, lo que implica mayor rozamiento y, por tanto, un mayor consumo de combustible, que puede llegar a un 40% adicional. Sin embargo, este fenómeno no se limita al transporte marítimo, sino que también tomas y conducciones de agua en plantas desalinizadoras y de energía, membranas de tratamiento de aguas residuales y sistemas de acuicultura sufren sus estragos. En España ha sido conocido recientemente el caso del mejillón cebra.

En el caso del transporte marítimo, las soluciones han solido consistir en el uso de pinturas con sustancias tóxicas para los organismos causantes del bioensuciamiento, como el plomo o el cobre. Las pinturas a base de copolímeros con auto-pulido (SPC), introducidas en 1974, se denominan así debido al efecto de pulido que sufren a medida que el polímero se disuelve durante la operación normal del barco, liberando tributilo de estaño (TBT). Éste compuesto mata los organismos y al mismo tiempo, la superficie se vuelve más suave. Sin embargo, el TBT ha demostrado afectar a organismos contra los que no se pretendía actuar. El TBT está prohibido actualmente en algunos países y se espera que la Organización Internacional Marítima lo prohiba completamente a partir de 2008.

El Proyecto Comunitario AMBIO, busca el estudio y desarrollo de diferentes tipos de superficies nanoestructuradas para evitar la adhesión de organismos marinos. Está formado por 31 miembros, entre los que se encuentran 15 empresas, 10 universidades y 6 organizaciones de investigación. 12 miembros de la Unión Europea están representados así como Turquía e Israel. Su presupuesto es de 17.9 millones de euros, de los que 11.9 han sido financiados por la Comunidad Europea.

 Actualmente se encuentra en la primera fase (de tres años de duración sobre un total de cinco), en el que utilizarán un amplio rango de métodos de creación de estructuras nanométricas para la obtención de superficies de prueba con propiedades físico-químicas en la escala nanométrica controladas y bien caracterizadas. Estas superficies serán evaluadas mediante ensayos de laboratorio con diferentes tipos de organismos adherentes. Estudios teóricos y experimentales sobre las propiedades de la dinámica en la interfaz de las superficies de prueba serán integradas con ensayos biológicos de adhesión para proporcionar una comprensión de cómo las superficies antifouling funcionan en la escala nanométrica.

Uno de los resultados obtenidos hasta el momento ha sido comprobar experimentalmente cómo, los revestimientos de siliconas con nanoestructura a través de la incorporación de nanotubos de carbono, y que se perfilan como un material con buenas propiedades antifouling no liberan dichos nanotubos en el agua, condición que ha de darse para pasar a la segunda fase con ensayos prácticos en sistemas reales.

Biofouling por bálanos en el casco de un barco:

 

  Los nanotubos y otras nanoestructuras han mostrado unas propiedades mecánicas impresionantes, en particular, su resistencia mecánica . Sin embargo, trasladar estas características del ámbito de lo nano- al de lo macroscópico, está planteando serias dificultades que impiden explotar en la práctica semejantes cualidades. Esto se debe a que aunque individualmente las nanoestructuras pueden ser muy resistentes, materiales macroscópicos elaborados a partir de tales bloques no pueden aprovechar tal fortaleza debido a que los enlaces entre los elementos constituyentes son débiles.

Una manera de aprovechar la fortaleza de las nanoestructuras es mediante materiales compuestos, en los que éstas se embeben en un elemento matriz que las liga entre sí con mayor fortaleza, de manera semejante a como el mortero distribuye las tensiones entre los ladrillos en las construcciones.

Recientemente un grupo de investigación de la Universidad de Michigan ha publicado la obtención de un material plástico con rigidez y resistencia a la tracción diez veces superior a otros nanocompuestos. Este nuevo nanocompuesto se ha obtenido a partir de un polímero denominado alcohol polivinilo (PVA) , habitualmente utilizado en pinturas y pegamentos, y capas de tamaño nanométrico (1 nanómetro de espesor y 10 nanometros cuadrados de superficie) de un mineral que forma un tipo especial de arcilla llamada Montmorillonita (MTM). Otra novedad es el proceso de elaboración, en el que un robot sumergía una placa de vidrio en una solución de PVA, posteriormente en una dispersión de MTM y finalmente la secaba. Este ciclo podía repetirse el número de veces necesario hasta obtener el número de capas deseadas. (Se necesitaron 300 capas para obtener una lámina de material del grosor del film para envolver bocadillos). La estructura así obtenida es semejante a la del nácar, con el que los moluscos construyen sus conchas. El origen de su fortaleza se encuentra en los enlaces de hidrógeno que se forman entre las capas de MTM y el PVA. Estos enlaces no son permanentes, pero son muy fuertes, y bajo tensión se destruyen y regeneran constantemente, en lo que uno de sus desarrolladores ha denominado efecto velcro.

El coste de este nanocompuesto es difícil de estimar. Los componentes son baratos, y no se requieren grandes cantidades de energía, a diferencia del acero o las cerámicas, pero de  momento es un proceso lento. Los autores de la investigación están buscando actualmente mejorar las propiedades del material, y sus estudios obtuvieron el pasado año 1.2 millones de dólares de fondos del Departamento de Defensa de los EEUU, que estaba interesado en el desarrollo de blindajes más efectivos para los aviones no tripulados de la fuerza aérea así como para vehículos e infantería.

Esta es la estructura nanoscópica del compuesto :

Y este su aspecto macroscópico:

 La célula es un universo dinámico donde interactúan una multitud de componentes a escala nanométrica. Con el fin de estudiar la estructura subcelular, se ha convertido necesario disponer de una instrumentación que permita la manipulación directa, extremadamente precisa y no invasiva. La llegada, de los láseres en los años 60, dio lugar al nacimiento de la cirugía láser. Hoy en día, la reducción del impulso láser por debajo del nanosegundo permite comprender mejor su interacción con los tejidos biológicos y controlar las intervenciones quirúrgicas con una resolución del orden de algunas centenas de nanómetros. Mediante la ionización de la materia por luz, la nanocirugía láser permite efectuar intervenciones quirúrgicas intracelulares tales como el corte de microtúbulos o de fibras sin dañar las estructuras de alrededor o comprometer la viabilidad celular. Así, el uso de láseres de pulsos ultracortos, más precisos y potentes, ofrece un nuevo acercamiento al estudio de las fuerzas biológicas o de la dinámica citoesquelética.

Las funciones celulares complejas tales como la mitosis, el crecimiento, o la diferenciación tienen lugar en dominios celulares distintos. Para estudiar la dinámica de dichos fenómenos, un acercamiento experimental clásico consiste en perturbar al sistema para estudiar los mecanismos de reacción y de regeneración a corto y largo plazo. La instrumentación convencional, como las microagujas, tienen una resolución espacial limitada al orden de las décimas de milímetro y destruyen a menudo la integridad física de la célula. A lo largo de los últimos años, ha sido pues necesario el desarrollo de nuevas herramientas que permitan un acercamiento celular preciso y no invasivo, de ahí, el reciente interés por los sistemas de cirugía láser que permiten una resolución submicrométrica y un radio de acción restringido al entorno celular directo.

Comprimiendo la duración de los pulsos luminosos a tiempos extremadamente cortos, desde los nanosegundos hasta algunas decenas de femtosegundos para los láseres más modernos, la potencia máxima de cada impulso puede aumentar en varios órdenes de magnitud conservando una energía razonablemente baja. Así se pueden inducir efectos no lineales en el medio irradiado, desde la degradación fotoquímica a la explosión mecánica y termal. Al focalizar sobre un punto del interior de un tejido o sobre la membrana de una célula, es posible vaporizar localmente el material intracelular sin que el efecto fotodestructor se extienda más allá de algunos cientos de nanómetros entorno al punto irradiado. Así, se pueden recortar de modo muy preciso citoesqueletos, u orgánulos como las mitocondrias. Esta técnica no invasiva permite una manipulación directa de la maquinaria celular con una resolución inferior al micrómetro, de ahí el término nanocirugía.

La formación del plasma de dimensiones nanométricas tiene lugar al focalizar pulsos muy cortos a través de objetivos con una gran apertura numérica (>0,9) que provocan la ionización de la materia. Este fenómeno que comienza con la liberación de un electrón por la absorción de varios fotones, se produce en cascada durante toda la duración del pulso láser, provocando una avalancha de electrones libres y descomponiendo así la materia generando un plasma. Tan pronto como ha sido formado, el plasma absorbe una parte de la luz y puede provocar ciertos efectos secundarios que contribuyen a amplificar la extensión espacial y temporal del efecto quirúrgico. Los recientes desarrollos tecnológicos de los láseres han permitido una reducción de la extensión espacial y temporal. Si bien no existe el láser perfecto en nanocirugía, hay que tener en cuenta distintos parámetros ópticos, como la calidad del haz o la extensión del foco, que determina la intensidad del haz, y por ende, la apertura numérica. En términos de longitud de onda, el uso de rayos UV-A (próximos al visible) es el mejor compromiso para reducir la extensión del haz, proporcional a la longitud de onda. Sin embargo, la penetración óptica del UV en los tejidos biológicos no supera el centenar de micras y es por ello que el uso de los láseres que emiten en el IR o visible es más eficaz para los tejidos profundos.

La nanocirugía, puede por lo tanto ser optimizada utilizando trenes de pulsos ultracortos, por debajo del nanosegundo. Ello explica el reciente éxito de los laseres de femtosegundos en cirugía con láser, porque el uso de pulsos por debajo del picosegundo, permite un mejor control del efecto deseado y de su extensión espacial. La nanocirugía se centra en el estudio y modificación de los elementos subcelulares sin afectar la viabilidad celular lo que presenta múltiples aplicaciones en biología celular, en la comprensión de las distintas etapas del desarrollo, en las interacciones funcionales entre diferentes orgánulos, o en los intercambios célula-célula.

El profesor Nikhil Kotakar, del Departamento de de Ingeniería Mecánica, Aeroespacial y Nuclear de Rensselaer,  ha desarrollado un nuevo método a base de nanotubos de carbono para detectar y reparar cualquier grieta casi en cualquier estructura polimérica.

Al introducir en el polímero nanotubos de carbono eléctricamente conductores y monitorizando su resistencia eléctrica en diferentes puntos de la estructura, se puede precisar la situación y tamaño de la menor de las grietas. Una vez situada la fractura, Kotakar puede enviar una breve señal eléctrica a la zona para calentar los nanotubos y fundir un agente reparador añadido a la mezcla que sella la fractura.

Incluso la adición de una pequeña cantidad de nanotubos tiene un efecto endurecedor para los materiales plásticos. Los investigadores del Rensselaer Polytechnic Institue han desarrollado una simple técnica para identificar y reparar, fracturas pequeñas pero potencialmente peligrosas  en las alas de los aviones y en otras muchas estructuras fabricadas mediante polímeros.

La mayoría de errores en cualquier estructura ingenieril se suelen deber a microgrietas que se extienden hasta alcanzar tamaños peligrosos y a la larga comprometen la integridad de la estructura. La solución que propone Koratkar, permite un diagnóstico en tiempo real y no requiere ningún sensor externo o instrumentación compleja. Hasta hora se usaban sensores ultrasónicos, que son unidades externas que requieren mucho tiempo para escudriñar la superficie completa.

El equipo de Koratkar fabricó una estructura de resina epoxy, a la que se le añadió una cantidad de nanotubos igual al 1% de la masa total. Posteriormente, se mezcló bien para asegurarse de que los nanotubos se difundían  a través de la estructura. Los investigadores introdujeron en ésta una serie de alambres, en forma de rejilla,  que servían para medir la resistencia eléctrica y para aplicar distintos voltajes a la estructura. Al enviar una pequeña señal eléctrica a través de los nanotubos, los investigadores fueron capaces de medir la resistencia entre dos puntos cualesquiera de la rejilla. Luego, produjeron una grieta en la estructura y midieron la resistencia entre los dos puntos más  próximos de la rejilla. Como la corriente eléctrica ahora tenía que salvar la grieta para viajar desde un punto a otro, la resistencia aumentaba. Así, cuanto mayor era la grieta, mayor era la resistencia que se medía entre los dos puntos. Cuando se detecta una grieta, se puede aumentar el voltaje que atraviesa los nanotubos en un punto en concreto de la rejilla. Este voltaje extra genera calor, lo que a su vez derrite un agente reparador que se mezcló con la resina. Este agente fluye hasta la grieta donde se enfría, reparándola. Las estructuras ya arregladas son en un 70% igual de fuertes que las estructuras originales.  Lo novedoso de esta aplicación es el uso de nanotubos de carbono no sólo para detectar la grieta sino también para repararla.

Se espera que este sistema aumente la vida, seguridad, y eficacia de las estructuras poliméricas, que se usan en vez de metales cuando el peso es un factor a tener en cuenta. Por otro lado, los investigadores tienen también la evidencia de que los nanotubos influyen en la disminución de la tasa en la que las grietas de los polímeros se extienden.Actualmente, el equipo trabaja en la optimización del sistema, en su aplicación a estructuras mayores y en un análisis más exhaustivo de la resistencia eléctrica de la rejilla y de los nanotubos incrustados.

 Una nueva investigación del MIT, desvela por primera vez el papel que juega la estructura atómica de los huesos en el  mecanismo de endurecimiento de los mismos. Este mecanismo permite que a costa del sacrificio de una pequeña parte del hueso, éste se proteja al completo. Se explica mediante el modelo propuesto por qué el hueso aguanta pequeñas fracturas y la necesidad del hueso de estar constantemente reconstruyéndose. Estos conocimientos podrían fundamentar el diseño de nuevos materiales.

A diferencia de los materiales de construcción sintética, que tienden a ser homogéneos, el hueso es un tejido heterogéneo, cuyas células sufren un cambio constante. Los científicos han clasificado la estructura básica del hueso en una jerarquía de siete niveles a distinta escala.

A nivel atómico, el primer nivel en el que se divide el modelo que creó Markus Buehler, del Departamento Civil de Ingeniería Medioambiental del MIT, se pretendió estudiar como se acoplan las moléculas, y cómo y cuándo se separan. En concreto, para encontrar el mecanismo que rige la dureza de los huesos, que es algo relativamente sorprendente dado que se trata de un material ligero y poroso, estudió la reacción a la fuerza de los enlace químicos inter e intramoleculares

En el siguiente nivel,  se encontró que las fibras de colágeno mineralizadas estaban compuestas de cuerdas a base de moléculas de colágeno alternadas con cristales de hidroxiapatita. Estas  cuerdas  se apilan de  tal manera que los cristales aparecen con una configuración escalonada. Al aplicar presión sobre las fibras, algunos de los enlaces débiles entre las moléculas de colágeno y los cristales se rompen creando pequeños gaps o estiramientos en las fibras. Este estiramiento difunde la presión a un área más extensa y protege otros enlaces más fuertes entre las propias moléculas de colágeno. El estiramiento permite también a los pequeños cristales cambiar de posición.

Anteriormente, algunos investigadores sugirieron que la clave que explicaba la dureza de los huesos residía en el deslizamiento molecular, que permite a los enlaces débiles romperse y estirar la estructura sin destruirla. Otros autores han citado la largura característica de los cristales de hidroxiapatita (unos pocos nanómetros) como la causa de la dureza de los huesos, puesto que los cristales son demasiado pequeños como para romperse fácilmente.

A escala atómica, Buehler sostiene que ambos mecanismos intervienen, lo que sugiere que los conceptos introducidos anteriormente serían correctos. Según a la escala en la que nos situemos, la dureza de los huesos reside en un mecanismo distinto. Además descubrió algo curioso: la magnitud de los mencionados gaps, varios cientos de micrómetros, es igual a la de las unidades multicelulares básicas o BMUs asociadas a la remodelación de los huesos. Las BMUs son una combinación de células que trabajan en equipo renovando el tejido, formando pequeñas cavidades a lo largo del mismo.

Así, el mecanismo responsable de la dureza de los huesos a escala molecular, explica también como el hueso puede ser tan fuerte aún y conteniendo tantas pequeñas cavidades necesarias para su renovación. Esto podría resultar una información muy útil para los ingenieros que siempre han utilizado materiales como el acero, duros pero muy densos. Éstos generalmente aumentan las dimensiones de las estructuras para hacerlas más robustas, mientras que la naturaza genera esta robustez mediante estructuras jerárquicas.

La imagen superior representa la configuración escalonada de los cristales de hidroxiapatita, y las moléculas de colágeno (morado). En el inferior, el nivel 2 del modelo.